JP2009130669A - Imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging apparatus capable of suppressing an increase of noises. <P>SOLUTION: The CMOS image sensor (imaging apparatus) includes: an electron accumulating part 3b for accumulating electrons; an accumulation gate electrode 10 for accumulating electrons in the electron accumulating part 3b; a transfer gate electrode 9 for transferring electrons to the electron accumulating part 3b; a floating diffusion area 5 for converting electrons to voltages; a readout gate electrode 11 for transferring electrons accumulated in the electron accumulating part 3b to the floating diffusion area 5; and a transfer channel 3 provided to a lower part of each electrode for forming a path for transferring electrons. Impurity concentration of the transfer channel 3 under the accumulation gate electrode 10 is higher than the impurity concentration of the transfer channel 3 under the transfer gate electrode 9 and the readout gate electrode 11. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に、信号電荷を蓄積する電界を発生させるための電極を備えた撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging apparatus, and more particularly, to an imaging apparatus provided with an electrode for generating an electric field for accumulating signal charges.

従来、電子(信号電荷)を蓄積する電界を発生させるための電極を備えた撮像装置が知られている(たとえば、非特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, an imaging device including an electrode for generating an electric field for accumulating electrons (signal charges) is known (for example, see Non-Patent Document 1).

上記非特許文献1には、光電変換により入射した光を電子に変換するためのフォトダイオードと、フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出すための電極と、蓄積された電子を電気信号に変換するためのフローティングディフュージョン領域とを備えた従来の一般的なCMOSイメージセンサが開示されている。   Non-Patent Document 1 discloses that a photodiode for converting light incident by photoelectric conversion into electrons, an electrode for reading out charges accumulated in the photodiode, and for converting the accumulated electrons into an electrical signal. A conventional general CMOS image sensor having a floating diffusion region is disclosed.

CCD/CMOSイメージ・センサの基礎と応用 (P.189〜P.191) CQ出版社 米本 和也 著 (2004年2月1日発行)Basics and Applications of CCD / CMOS Image Sensors (P.189-P.191) CQ Publisher Kazuya Yonemoto (issued February 1, 2004)

上記非特許文献1に記載されるような従来の一般的なCMOSイメージセンサでは、入射する光が低照度の場合、信号電荷が少ないため、読出しノイズが支配的となりSN比(信号対雑音比)が低下するという不都合がある。これに対して、蓄積された電子に高電圧を印加することにより電子を加速させ、電子の保持領域である不純物領域の格子原子と衝突させることにより、電子を増加(増倍)させるという方法が考えられる。しかしながら、従来の一般的なCMOSイメージセンサでは、電子を保持するための容量の大きな電極は設けられていないので、電子(信号電荷)を増加(増倍)させた場合に、増倍された電子(信号電荷)を全て保持することができない場合があると考えられる。その結果、SN比における信号(Signal)に対する雑音(Noise)の比率が大きくなるので、相対的にCMOSイメージセンサにおけるノイズが増加するという問題点がある。   In the conventional general CMOS image sensor as described in Non-Patent Document 1, when the incident light is low illuminance, since the signal charge is small, the readout noise becomes dominant, and the SN ratio (signal to noise ratio). Has the disadvantage of lowering. On the other hand, there is a method of accelerating electrons by applying a high voltage to the accumulated electrons and increasing (multiplying) the electrons by colliding with lattice atoms in the impurity region which is an electron holding region. Conceivable. However, in the conventional general CMOS image sensor, an electrode having a large capacity for holding electrons is not provided. Therefore, when electrons (signal charges) are increased (multiplied), the multiplied electrons are increased. It is considered that there are cases where all (signal charge) cannot be retained. As a result, the ratio of the noise (Noise) to the signal (Signal) in the S / N ratio becomes large, which causes a problem that the noise in the CMOS image sensor relatively increases.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、ノイズの増加を抑制することが可能な撮像装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of suppressing an increase in noise.

上記目的を達成するために、この発明の一の局面における撮像装置は、信号電荷を蓄積するとともに、転送するための電荷蓄積部と、電荷蓄積部に信号電荷を蓄積させるための第1電極と、信号電荷を電荷蓄積部に転送させるための第2電極と、信号電荷を電圧に変換するための電圧変換部と、第1電極と電圧変換部との間に設けられ、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を電圧変換部に転送させるための第3電極と、少なくとも第1電極、第2電極および第3電極の下方に設けられ、信号電荷を転送する経路を形成するための不純物領域とを備え、不純物領域の第1電極の下方に対応する領域の不純物濃度は、少なくとも第2電極および第3電極の下方に対応する領域の不純物濃度よりも高い。   In order to achieve the above object, an imaging apparatus according to one aspect of the present invention stores a signal charge, transfers a charge storage part, and a first electrode for storing the signal charge in the charge storage part. The second electrode for transferring the signal charge to the charge storage unit, the voltage conversion unit for converting the signal charge to a voltage, and the first electrode and the voltage conversion unit are provided and stored in the charge storage unit. A third electrode for transferring the signal charge to the voltage converter, and an impurity region provided at least below the first electrode, the second electrode, and the third electrode for forming a path for transferring the signal charge The impurity concentration of the region corresponding to the lower part of the first electrode in the impurity region is at least higher than the impurity concentration of the region corresponding to the lower part of the second and third electrodes.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態によるCMOSイメージセンサの全体構成を示した平面図である。また、図2および図3は、図1に示した第1実施形態によるCMOSイメージセンサの構造を示した断面図である。また、図4は、図1に示した第1実施形態によるCMOSイメージセンサの画素を示した平面図であり、図5は、図1に示した第1実施形態によるCMOSイメージセンサの回路構成を示した回路図である。まず、図1〜図5を参照して、第1実施形態によるCMOSイメージセンサの構造について説明する。なお、第1実施形態では、撮像装置の一例であるアクティブ(Active)型のCMOSイメージセンサに本発明を適用した場合について説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing the overall configuration of a CMOS image sensor according to a first embodiment of the present invention. 2 and 3 are sectional views showing the structure of the CMOS image sensor according to the first embodiment shown in FIG. 4 is a plan view showing a pixel of the CMOS image sensor according to the first embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 5 shows a circuit configuration of the CMOS image sensor according to the first embodiment shown in FIG. It is the circuit diagram shown. First, the structure of the CMOS image sensor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. In the first embodiment, a case where the present invention is applied to an active CMOS image sensor which is an example of an imaging apparatus will be described.

第1実施形態によるCMOSイメージセンサは、図1に示すように、マトリクス状(行列状)に配置された複数の画素50を含む撮像部51と、行選択レジスタ52と、列選択レジスタ53とを備えている。   As shown in FIG. 1, the CMOS image sensor according to the first embodiment includes an imaging unit 51 including a plurality of pixels 50 arranged in a matrix (matrix), a row selection register 52, and a column selection register 53. I have.

第1実施形態によるCMOSイメージセンサの画素50の断面構造としては、図2および図3に示すように、n型シリコン基板(図示せず)の表面上に形成されたp型ウェル領域1の表面に、各画素50をそれぞれ分離するための素子分離領域2が形成されている。また、素子分離領域2によって囲まれる各画素50のp型ウェル領域1の表面には、n型不純物領域からなる転送チャネル3を挟むように所定の間隔を隔てて、フォトダイオード部(PD)4およびn型不純物領域からなるフローティングディフュージョン領域5(FD)が形成されている。なお、転送チャネル3およびフローティングディフュージョン領域5は、それぞれ、本発明の「不純物領域」および「電圧変換部」の一例である。 As a cross-sectional structure of the pixel 50 of the CMOS image sensor according to the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the surface of the p-type well region 1 formed on the surface of an n-type silicon substrate (not shown). In addition, an element isolation region 2 for isolating each pixel 50 is formed. Further, a photodiode portion (PD) is provided on the surface of the p-type well region 1 of each pixel 50 surrounded by the element isolation region 2 at a predetermined interval so as to sandwich the transfer channel 3 made of an n -type impurity region. A floating diffusion region 5 (FD) composed of 4 and n-type impurity regions is formed. The transfer channel 3 and the floating diffusion region 5 are examples of the “impurity region” and the “voltage converter” in the present invention, respectively.

フォトダイオード部4は、入射光量に応じて電子を生成するとともに、その生成された電子を蓄積する機能を有する。また、フォトダイオード部4は、素子分離領域2に隣接するとともに、転送チャネル3に隣接するように形成されている。また、フローティングディフュージョン領域5は、転送された電子による電荷信号を保持するとともに、この電荷信号を電圧に変換する機能を有する。また、フローティングディフュージョン領域5は、素子分離領域2に隣接するとともに、転送チャネル3に隣接するように形成されている。これにより、フローティングディフュージョン領域5は、転送チャネル3を介してフォトダイオード部4と対向するように形成されている。   The photodiode unit 4 has a function of generating electrons in accordance with the amount of incident light and storing the generated electrons. The photodiode portion 4 is formed adjacent to the element isolation region 2 and adjacent to the transfer channel 3. The floating diffusion region 5 has a function of holding a charge signal due to transferred electrons and converting the charge signal into a voltage. The floating diffusion region 5 is formed adjacent to the element isolation region 2 and adjacent to the transfer channel 3. Thus, the floating diffusion region 5 is formed so as to face the photodiode portion 4 through the transfer channel 3.

また、転送チャネル3の上面上には、SiOからなるゲート絶縁膜6が形成されている。また、ゲート絶縁膜6上には、転送ゲート電極7と、増倍ゲート電極8と、転送ゲート電極9、蓄積ゲート電極10および読出ゲート電極11とが、フォトダイオード部4側からフローティングディフュージョン領域5側に向かってこの順番に形成されている。また、フローティングディフュージョン領域5を読出ゲート電極11と挟むような位置に、ゲート絶縁膜6を介してリセットゲート電極12が形成されているとともに、リセットゲート電極12を挟んでフローティングディフュージョン領域5と対向する位置に、リセットドレイン領域13が形成されている。また、増倍ゲート電極8下の転送チャネル3には、電子増倍部3aが設けられているとともに、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3には、電子蓄積部3bが設けられている。なお、増倍ゲート電極8、転送ゲート電極9、蓄積ゲート電極10および読出ゲート電極11は、それぞれ、本発明の「第4電極」、「第2電極」、「第1電極」および「第3電極」の一例である。また、電子増倍部3aは、本発明の「電荷増加部」の一例であるとともに、電子蓄積部3bは、本発明の「電荷蓄積部」の一例である。 A gate insulating film 6 made of SiO 2 is formed on the upper surface of the transfer channel 3. On the gate insulating film 6, the transfer gate electrode 7, the multiplication gate electrode 8, the transfer gate electrode 9, the storage gate electrode 10, and the read gate electrode 11 are provided from the photodiode portion 4 side to the floating diffusion region 5. It is formed in this order toward the side. In addition, a reset gate electrode 12 is formed via a gate insulating film 6 at a position sandwiching the floating diffusion region 5 with the readout gate electrode 11 and faces the floating diffusion region 5 with the reset gate electrode 12 interposed therebetween. A reset drain region 13 is formed at the position. The transfer channel 3 under the multiplication gate electrode 8 is provided with an electron multiplication unit 3a, and the transfer channel 3 under the storage gate electrode 10 is provided with an electron storage unit 3b. Note that the multiplication gate electrode 8, the transfer gate electrode 9, the storage gate electrode 10 and the readout gate electrode 11 are respectively the “fourth electrode”, “second electrode”, “first electrode” and “third” of the present invention. It is an example of an “electrode”. The electron multiplying unit 3a is an example of the “charge increasing unit” in the present invention, and the electron accumulating unit 3b is an example of the “charge accumulating unit” in the present invention.

また、転送ゲート電極7は、フォトダイオード部4と増倍ゲート電極8との間に形成されている。また、読出ゲート電極11は、蓄積ゲート電極10とフローティングディフュージョン領域5との間に形成されている。また、読出ゲート電極11は、フローティングディフュージョン領域5と隣接するように形成されている。   The transfer gate electrode 7 is formed between the photodiode portion 4 and the multiplication gate electrode 8. The read gate electrode 11 is formed between the storage gate electrode 10 and the floating diffusion region 5. The read gate electrode 11 is formed adjacent to the floating diffusion region 5.

ここで、第1実施形態では、転送チャネル3の蓄積ゲート電極10下の領域(電子蓄積部3b)における不純物濃度は、蓄積ゲート電極10以外の電極下の領域における不純物濃度よりも高くなるように構成されている。具体的には、たとえば、ゲート絶縁膜6が約50nmの厚みを有する条件下において、蓄積ゲート電極10以外の電極下の不純物領域(転送チャネル3)における不純物のピーク濃度が約8.5×1016cm-3であるのに対して、蓄積ゲート電極10下の不純物領域(電子蓄積部3b)における不純物のピーク濃度は、約2.5×1017cm-3になるように構成されている。また、不純物として、たとえば、As(砒素)などが注入されているとともに、ピーク濃度の深さが転送チャネル3の表面から約0.1μm程度の位置になるように構成されている。これにより、各電極にそれぞれ同じレベルの信号を供給した際(同じ電圧を印加した際)に、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3の電位が、蓄積ゲート電極10以外の電極下の転送チャネル3の電位よりも高くなるように構成されている。 Here, in the first embodiment, the impurity concentration in the region under the storage gate electrode 10 (electron storage unit 3 b) of the transfer channel 3 is higher than the impurity concentration in the region under the electrode other than the storage gate electrode 10. It is configured. Specifically, for example, under the condition that the gate insulating film 6 has a thickness of about 50 nm, the peak concentration of the impurity in the impurity region (transfer channel 3) under the electrode other than the storage gate electrode 10 is about 8.5 × 10. In contrast to 16 cm −3 , the impurity peak concentration in the impurity region (electron accumulating portion 3 b) under the storage gate electrode 10 is configured to be about 2.5 × 10 17 cm −3 . . Further, for example, As (arsenic) or the like is implanted as an impurity, and the depth of the peak concentration is configured to be about 0.1 μm from the surface of the transfer channel 3. Thereby, when the same level signal is supplied to each electrode (when the same voltage is applied), the potential of the transfer channel 3 under the storage gate electrode 10 is changed to the transfer channel 3 under the electrode other than the storage gate electrode 10. It is configured to be higher than the potential.

また、図3および図4に示すように、転送ゲート電極7、増倍ゲート電極8、転送ゲート電極9、蓄積ゲート電極10および読出ゲート電極11には、それぞれ、コンタクト部7a、8a、9a、10aおよび11aを介して、電圧制御のためのクロック信号Φ1、Φ2、Φ3、Φ4およびΦ5を供給する配線層20、21、22、23および24が電気的に接続されている。なお、この配線層20、21、22、23および24は、行毎に形成されているとともに、各行の複数の画素50の転送ゲート電極7、増倍ゲート電極8、転送ゲート電極9、蓄積ゲート電極10および読出ゲート電極11にそれぞれ電気的に接続されている。また、フローティングディフュージョン領域5には、コンタクト部5aを介して信号を取り出すための信号線25が電気的に接続されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the transfer gate electrode 7, the multiplication gate electrode 8, the transfer gate electrode 9, the storage gate electrode 10 and the read gate electrode 11 are respectively connected to the contact portions 7a, 8a, 9a, Wiring layers 20, 21, 22, 23, and 24 that supply clock signals Φ1, Φ2, Φ3, Φ4, and Φ5 for voltage control are electrically connected via 10a and 11a. The wiring layers 20, 21, 22, 23, and 24 are formed for each row, and the transfer gate electrode 7, the multiplication gate electrode 8, the transfer gate electrode 9, and the storage gate of the plurality of pixels 50 in each row. The electrode 10 and the read gate electrode 11 are electrically connected to each other. The floating diffusion region 5 is electrically connected to a signal line 25 for taking out a signal through a contact portion 5a.

また、図3に示すように、転送ゲート電極7、転送ゲート電極9、蓄積ゲート電極10および読出ゲート電極11に、それぞれ、配線層20、22、23および24を介してクロック信号Φ1、Φ3、Φ4およびΦ5のオン信号(Hレベルの信号)が供給されている場合には、転送ゲート電極7、転送ゲート電極9、蓄積ゲート電極10および読出ゲート電極11に約2.9Vの電圧が印加されるように構成されている。なお、転送ゲート電極7、転送ゲート電極9、蓄積ゲート電極10および読出ゲート電極11に、それぞれ、オン信号(Hレベルの信号)が供給される場合に印加される電圧は、本発明の「第2の電圧」の一例である。   Further, as shown in FIG. 3, the transfer gate electrode 7, the transfer gate electrode 9, the storage gate electrode 10 and the read gate electrode 11 are respectively connected to the clock signals Φ1, Φ3, When ON signals (H level signals) of Φ4 and Φ5 are supplied, a voltage of about 2.9 V is applied to the transfer gate electrode 7, the transfer gate electrode 9, the storage gate electrode 10 and the read gate electrode 11. It is comprised so that. The voltage applied when an ON signal (H level signal) is supplied to each of the transfer gate electrode 7, the transfer gate electrode 9, the storage gate electrode 10 and the read gate electrode 11 is the It is an example of “a voltage of 2”.

ここで、第1実施形態では、転送ゲート電極7、転送ゲート電極9、蓄積ゲート電極10および読出ゲート電極11に約2.9Vの電圧が印加される場合(Hレベルの信号が供給される場合)には、転送ゲート電極7下、転送ゲート電極9下および読出ゲート電極11下の転送チャネル3が約4Vの電位に調整された状態になるとともに、高濃度に構成された蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)が約6Vの電位に調整された状態になるように構成されている。   Here, in the first embodiment, when a voltage of about 2.9 V is applied to the transfer gate electrode 7, the transfer gate electrode 9, the storage gate electrode 10 and the read gate electrode 11 (when an H level signal is supplied). ), The transfer channel 3 under the transfer gate electrode 7, under the transfer gate electrode 9 and under the read gate electrode 11 is adjusted to a potential of about 4 V, and under the storage gate electrode 10 having a high concentration. The transfer channel 3 (electron accumulating unit 3b) is adjusted to a potential of about 6V.

また、増倍ゲート電極8に配線層21からクロック信号Φ2のオン信号(Hレベルの信号)が供給されている場合には、増倍ゲート電極9に約24Vの電圧が印加されるように構成されている。これにより、増倍ゲート電極9にクロック信号Φ2のオン信号(Hレベルの信号)が供給されている場合には、増倍ゲート電極9下の転送チャネル3が約25Vの高い電位に調整された状態になるように構成されている。なお、増倍ゲート電極8にオン信号(Hレベルの信号)が供給される場合に印加される電圧は、本発明の「第3の電圧」の一例である。   Further, when the ON signal (H level signal) of the clock signal Φ 2 is supplied from the wiring layer 21 to the multiplication gate electrode 8, a voltage of about 24 V is applied to the multiplication gate electrode 9. Has been. Thus, when the ON signal (H level signal) of the clock signal Φ2 is supplied to the multiplication gate electrode 9, the transfer channel 3 under the multiplication gate electrode 9 is adjusted to a high potential of about 25V. It is configured to be in a state. The voltage applied when the ON signal (H level signal) is supplied to the multiplication gate electrode 8 is an example of the “third voltage” in the present invention.

また、転送ゲート電極7、増倍ゲート電極8、転送ゲート電極9、蓄積ゲート電極10および読出ゲート電極11に、それぞれ、クロック信号Φ1、Φ2、Φ3、Φ4およびΦ5のオフ信号(Lレベルの信号)が供給されている場合には、転送ゲート電極7、増倍ゲート電極8、転送ゲート電極9、蓄積ゲート電極10および読出ゲート電極11に約0Vの電圧が印加されるように構成されている。このとき、第1実施形態では、転送チャネル3において、転送ゲート電極7下、増倍ゲート電極8下、転送ゲート電極9および読出ゲート電極11下の転送チャネル3が、約1.5Vの電位に調整された状態となるとともに、高濃度に構成された蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)の電位は、約3.5Vの電位に調整された状態となるように構成されている。なお、各電極にオフ信号(Lレベルの信号)が供給される場合に印加される電圧は、本発明の「第1の電圧」の一例である。   The transfer gate electrode 7, the multiplication gate electrode 8, the transfer gate electrode 9, the storage gate electrode 10 and the read gate electrode 11 are supplied to the off signals (L level signals) of the clock signals Φ1, Φ2, Φ3, Φ4 and Φ5, respectively. ) Is supplied, a voltage of about 0 V is applied to the transfer gate electrode 7, the multiplication gate electrode 8, the transfer gate electrode 9, the storage gate electrode 10 and the read gate electrode 11. . At this time, in the first embodiment, in the transfer channel 3, the transfer channel 3 under the transfer gate electrode 7, under the multiplication gate electrode 8, under the transfer gate electrode 9 and under the read gate electrode 11 is at a potential of about 1.5V. In addition to the adjusted state, the potential of the transfer channel 3 (electron storage unit 3b) under the storage gate electrode 10 configured to be high in concentration is configured to be adjusted to a potential of about 3.5V. ing. The voltage applied when an off signal (L level signal) is supplied to each electrode is an example of the “first voltage” in the present invention.

以上により、第1実施形態では、オフ信号が供給された際の蓄積ゲート電極10の電位(約3.5V)は、オフ信号が供給された際の転送ゲート電極9下および読出ゲート電極11下の転送チャネル3の電位(約1.5V)よりも大きくなるように構成されている。また、オフ信号が供給された際の蓄積ゲート電極10の電位(約3.5V)は、オン信号が供給された際の転送ゲート電極9下および読出ゲート電極11下の転送チャネル3の電位(約4V)よりも小さくなるように構成されている。   As described above, in the first embodiment, the potential (about 3.5 V) of the storage gate electrode 10 when the off signal is supplied is below the transfer gate electrode 9 and the readout gate electrode 11 when the off signal is supplied. The transfer channel 3 is configured to be higher than the potential (about 1.5 V). Further, the potential (about 3.5 V) of the storage gate electrode 10 when the off signal is supplied is the potential of the transfer channel 3 below the transfer gate electrode 9 and the readout gate electrode 11 when the on signal is supplied (about 3.5V). It is configured to be smaller than about 4V).

また、フローティングディフュージョン領域5は、約5Vの電位になるように調整されている。また、リセットドレイン領域13は、約5Vの電位になるように調整されているとともに、フローティングディフュージョン領域5に保持された電子の排出部としての機能を有する。   The floating diffusion region 5 is adjusted to have a potential of about 5V. The reset drain region 13 is adjusted to have a potential of about 5 V and has a function as a discharge unit for electrons held in the floating diffusion region 5.

また、転送ゲート電極7は、オン信号が供給されることにより、フォトダイオード部4により生成された電子を、転送ゲート電極7下の転送チャネル3を介して増倍ゲート電極8下の転送チャネル3に位置する電子増倍部3aに転送する機能を有している。また、転送ゲート電極7下の転送チャネル3は、転送ゲート電極7にオフ信号(Lレベルの信号)が供給されている場合には、フォトダイオード部4と、増倍ゲート電極8下の転送チャネル3(電子増倍部3a)とを区分する分離障壁として機能する。   Further, the transfer gate electrode 7 is supplied with an ON signal, so that the electrons generated by the photodiode unit 4 are transferred to the transfer channel 3 below the multiplication gate electrode 8 via the transfer channel 3 below the transfer gate electrode 7. It has the function to transfer to the electron multiplier part 3a located in. The transfer channel 3 below the transfer gate electrode 7 is connected to the photodiode portion 4 and the transfer channel below the multiplication gate electrode 8 when an off signal (L level signal) is supplied to the transfer gate electrode 7. 3 (electron multiplying unit 3a) functions as a separation barrier.

また、増倍ゲート電極8は、オン信号が供給されることにより、増倍ゲート電極8下の転送チャネル3に位置する電子増倍部3aに高電界が印加されるように構成されている。そして、フォトダイオード部4から転送ゲート電極7下の転送チャネル3を介して転送された電子が、電子増倍部3aに発生した高電界により加速するとともに、不純物領域における格子原子との衝突電離によって増倍されるように構成されている。   Further, the multiplication gate electrode 8 is configured such that a high electric field is applied to the electron multiplication section 3 a located in the transfer channel 3 below the multiplication gate electrode 8 when an ON signal is supplied. Then, the electrons transferred from the photodiode portion 4 through the transfer channel 3 under the transfer gate electrode 7 are accelerated by a high electric field generated in the electron multiplying portion 3a, and by impact ionization with lattice atoms in the impurity region. It is configured to be multiplied.

また、転送ゲート電極9は、オン信号が供給されることにより、増倍ゲート電極8下の転送チャネル3(電子増倍部3a)と、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3に設けられた電子蓄積部3bとの間において、電子を転送する機能を有する。また、転送ゲート電極9は、オフ信号が供給されることにより、増倍ゲート電極8下の電子増倍部3aと蓄積ゲート電極10下の電子蓄積部3bとの間を電子が転送するのを抑制するための電荷転送障壁として機能する。   Further, the transfer gate electrode 9 is supplied with an ON signal so that the transfer channel 3 under the multiplication gate electrode 8 (electron multiplication unit 3a) and the electrons provided in the transfer channel 3 under the storage gate electrode 10 are supplied. It has a function of transferring electrons to and from the storage unit 3b. In addition, the transfer gate electrode 9 is supplied with an off signal so that electrons are transferred between the electron multiplying portion 3a under the multiplying gate electrode 8 and the electron accumulating portion 3b under the accumulating gate electrode 10. It functions as a charge transfer barrier for suppression.

また、読出ゲート電極は、オン信号(Hレベルの信号)が供給されることにより、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)に蓄積された電子をフローティングディフュージョン領域5に転送する機能を有する。また、読出ゲート電極11にオフ信号(Lレベルの信号)が供給されている場合には、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)とフローティングディフュージョン領域5とを区分する機能を有する。   Further, the read gate electrode is supplied with an ON signal (H level signal), thereby transferring electrons accumulated in the transfer channel 3 (electron accumulating portion 3 b) under the accumulation gate electrode 10 to the floating diffusion region 5. It has a function. Further, when an OFF signal (L level signal) is supplied to the read gate electrode 11, the function of distinguishing the transfer channel 3 (electron accumulating portion 3 b) and the floating diffusion region 5 below the accumulation gate electrode 10 is provided. Have.

また、図4および5に示すように、各々の画素50は、転送ゲート電極7と、増倍ゲート電極8と、転送ゲート電極9と、蓄積ゲート電極10と、読出ゲート電極11と、リセットゲート電極12を含むリセットゲートトランジスタTr1と、増幅トランジスタTr2と、画素選択トランジスタTr3とを備えている。転送ゲート電極7には、フォトダイオード部4が接続されている。また、リセットゲートトランジスタTr1のリセットゲート電極12には、コンタクト部12aを介してリセットゲート線30が接続されており、リセット信号が供給される。リセットゲートトランジスタTr1のドレイン(リセットドレイン13)は、コンタクト部13aを介して電源電位(VDD)線31に接続される。また、リセットゲートトランジスタTr1のソースおよび読出ゲート電極11のソースを構成するフローティングディフュージョン領域5と増幅トランジスタTr2のゲート40とは、コンタクト部5aおよび40aを介して信号線25により接続されている。また、増幅トランジスタTr2のソースには、画素選択トランジスタTr3のドレインが接続されている。また、画素選択トランジスタTr3のゲート41には、コンタクト部41aを介して行選択線32が接続されるとともに、ソースには、コンタクト部42を介して出力線33が接続されている。   4 and 5, each pixel 50 includes a transfer gate electrode 7, a multiplication gate electrode 8, a transfer gate electrode 9, a storage gate electrode 10, a read gate electrode 11, and a reset gate. A reset gate transistor Tr1, including an electrode 12, an amplification transistor Tr2, and a pixel selection transistor Tr3 are provided. A photodiode portion 4 is connected to the transfer gate electrode 7. A reset gate line 30 is connected to the reset gate electrode 12 of the reset gate transistor Tr1 through a contact portion 12a, and a reset signal is supplied. The drain (reset drain 13) of the reset gate transistor Tr1 is connected to the power supply potential (VDD) line 31 through the contact portion 13a. The floating diffusion region 5 constituting the source of the reset gate transistor Tr1 and the source of the read gate electrode 11 and the gate 40 of the amplification transistor Tr2 are connected by a signal line 25 through contact portions 5a and 40a. Further, the drain of the pixel selection transistor Tr3 is connected to the source of the amplification transistor Tr2. The row selection line 32 is connected to the gate 41 of the pixel selection transistor Tr3 via a contact portion 41a, and the output line 33 is connected to the source via a contact portion 42.

また、第1実施形態におけるCMOSイメージセンサは、上記の回路構成を行うことにより、配線数およびデコードのためのトランジスタ数を減らすように構成されている。これにより、CMOSイメージセンサの全体的な小型化が可能なように構成されている。なお、この回路構成を行うことにより、読出ゲート電極11のオンオフ制御は行毎に行われる一方で、読出ゲート電極11以外のゲート電極のオンオフ制御は、画素50全体に対して行われる。   The CMOS image sensor according to the first embodiment is configured to reduce the number of wirings and the number of transistors for decoding by performing the above circuit configuration. As a result, the entire CMOS image sensor can be reduced in size. By performing this circuit configuration, on / off control of the read gate electrode 11 is performed for each row, while on / off control of gate electrodes other than the read gate electrode 11 is performed for the entire pixel 50.

図6および図8は、本発明の第1実施形態によるCMOSイメージセンサの電子の転送および増倍動作を説明するための信号波形図である。図7および図9は、本発明の第1実施形態によるCMOSイメージセンサの電子の転送動作および増倍動作を説明するためのポテンシャル図である。次に、図6〜図9を参照して、第1実施形態によるCMOSイメージセンサの電子の転送動作および増倍動作について説明する。   6 and 8 are signal waveform diagrams for explaining electron transfer and multiplication operations of the CMOS image sensor according to the first embodiment of the present invention. 7 and 9 are potential diagrams for explaining an electron transfer operation and a multiplication operation of the CMOS image sensor according to the first embodiment of the present invention. Next, the electron transfer operation and the multiplication operation of the CMOS image sensor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、フォトダイオード部4に光が入射されると、光電変換により、フォトダイオード部4に電子が生成される。そして、図6および図7に示す期間Aにおいて、増倍ゲート電極8に約24Vの電圧が印加された後に、転送ゲート電極7に約2.9Vの電圧が印加される。これにより、増倍ゲート電極8下の転送チャネル3の電位が約25Vの高い電位に調整された状態で、転送ゲート電極7下の転送チャネル3の電位が約4Vに調整される。このとき、フォトダイオード部4(約3V)により生成された電子は、転送ゲート電極7下の転送チャネル3(約4V)を介して、より高電位(約25V)である増倍ゲート電極8下の転送チャネル3(電子増倍部3a)に転送されるとともに、電子は、電子増倍部3aにおいて衝突電離することにより増倍される。   First, when light enters the photodiode unit 4, electrons are generated in the photodiode unit 4 by photoelectric conversion. 6 and FIG. 7, a voltage of about 2.9 V is applied to the transfer gate electrode 7 after a voltage of about 24 V is applied to the multiplication gate electrode 8. Thus, the potential of the transfer channel 3 under the transfer gate electrode 7 is adjusted to about 4V while the potential of the transfer channel 3 under the multiplication gate electrode 8 is adjusted to a high potential of about 25V. At this time, the electrons generated by the photodiode portion 4 (about 3 V) are below the multiplication gate electrode 8 having a higher potential (about 25 V) via the transfer channel 3 (about 4 V) below the transfer gate electrode 7. Are transferred to the transfer channel 3 (electron multiplier 3a) and electrons are multiplied by impact ionization in the electron multiplier 3a.

次に、期間Bにおいて、転送ゲート電極9に約2.9Vの電圧が印加された後に、増倍ゲート電極8に約0Vの電圧を印加する。これにより、電子は、増倍ゲート電極8下の電子増倍部3a(約1.5V)から、より高電位(約4V)である転送ゲート電極9下の転送チャネル3に転送される。そして、期間Cにおいて、転送ゲート電極9に約0Vの電圧が印加される。これにより、電子は、転送ゲート電極9下の転送チャネル3から、より高電位(約3.5V)である蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)に転送される。このとき、第1実施形態では、各電極にオフ電圧を印加するように制御された状態で、電子蓄積部3bに電子が蓄積された状態が維持される。   Next, in period B, after a voltage of about 2.9 V is applied to the transfer gate electrode 9, a voltage of about 0 V is applied to the multiplication gate electrode 8. As a result, electrons are transferred from the electron multiplier 3a (about 1.5 V) below the multiplication gate electrode 8 to the transfer channel 3 below the transfer gate electrode 9 having a higher potential (about 4 V). In the period C, a voltage of about 0 V is applied to the transfer gate electrode 9. Thereby, electrons are transferred from the transfer channel 3 under the transfer gate electrode 9 to the transfer channel 3 (electron storage unit 3b) under the storage gate electrode 10 having a higher potential (about 3.5 V). At this time, in the first embodiment, the state in which electrons are accumulated in the electron accumulation unit 3b is maintained in a state in which the off voltage is applied to each electrode.

そして、期間Dにおいて、読出ゲート電極11に約2.9Vの電圧が印加されることにより、読出ゲート電極11下の転送チャネル3の電位が約4Vの状態に調整される。このとき、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)は約3.5Vの電位に調整されているので、電子は、読出ゲート電極11下の転送チャネル3(約4V)を介して、より高電位に調整されているフローティングディフュージョン領域5に転送される。以上により、電子の転送動作は完了する。   Then, during period D, a voltage of about 2.9 V is applied to the read gate electrode 11, whereby the potential of the transfer channel 3 under the read gate electrode 11 is adjusted to a state of about 4V. At this time, since the transfer channel 3 (electron accumulating portion 3b) under the storage gate electrode 10 is adjusted to a potential of about 3.5V, electrons pass through the transfer channel 3 (about 4V) under the read gate electrode 11. Thus, the data is transferred to the floating diffusion region 5 that is adjusted to a higher potential. Thus, the electron transfer operation is completed.

また、電子の増倍動作においては、図6および図7の期間A〜期間Cの動作を行うことにより蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)に電子が蓄積された状態で、図8および図9に示す期間Eにおいて、増倍ゲート電極8をオン状態にするとともに、期間Fにおいて、転送ゲート電極9をオン状態にする。これにより、増倍ゲート電極8下の転送チャネル3(電子増倍部3a)が約25Vの電位に調整された後に、転送ゲート電極9下の転送チャネル3が約4Vの電位に調整される状態になる。このとき、第1実施形態では、蓄積ゲート電極10は、オフ状態が維持されていることにより、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)の電位は約3.5Vに維持されている。したがって、電子蓄積部3bに蓄積された電子は、転送ゲート電極9下の転送チャネル3(約4V)を介して、より高電位である増倍ゲート電極8下の転送チャネル3(電子増倍部3a)(約25V)に転送される。このように、第1実施形態では、蓄積ゲート電極10にオフ信号が供給された状態のまま、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)に蓄積された電子の転送動作および増倍動作が行われる。   In the electron multiplication operation, electrons are stored in the transfer channel 3 (electron storage unit 3b) under the storage gate electrode 10 by performing the operations in the periods A to C in FIGS. In the period E shown in FIGS. 8 and 9, the multiplication gate electrode 8 is turned on, and in the period F, the transfer gate electrode 9 is turned on. Thereby, after the transfer channel 3 (electron multiplier 3a) under the multiplication gate electrode 8 is adjusted to a potential of about 25V, the transfer channel 3 under the transfer gate electrode 9 is adjusted to a potential of about 4V. become. At this time, in the first embodiment, since the storage gate electrode 10 is maintained in the off state, the potential of the transfer channel 3 (electron storage unit 3b) under the storage gate electrode 10 is maintained at about 3.5V. ing. Therefore, the electrons accumulated in the electron accumulating portion 3b are transferred via the transfer channel 3 (about 4V) under the transfer gate electrode 9 to the transfer channel 3 (electron multiplying portion) under the multiplication gate electrode 8 having a higher potential. 3a) is transferred to (about 25V). As described above, in the first embodiment, the transfer operation and increase of the electrons stored in the transfer channel 3 (electron storage unit 3b) under the storage gate electrode 10 are performed while the off signal is supplied to the storage gate electrode 10. Double operation is performed.

また、電子は、電子増倍部3aに転送されることにより、上述したように増倍される。そして、期間Gにおいて、転送ゲート電極9をオフ状態にすることにより、増倍動作が完了する。なお、上述の期間A〜Cおよび期間E〜Gの動作(電子増倍部3aおよび電子蓄積部3b間の電子の転送動作)が複数回(たとえば、約400回)行われるように制御されることにより、フォトダイオード部4から転送された電子は約2000倍に増倍される。また、このように増倍されて蓄積された電子による電荷信号は、上述した読出動作により、フローティングディフュージョン領域5および信号線25を介して、電圧信号として読み出される。   Further, the electrons are multiplied as described above by being transferred to the electron multiplier 3a. Then, in the period G, the multiplication operation is completed by turning off the transfer gate electrode 9. Control is performed so that the operations in the above-described periods A to C and periods E to G (electron transfer operation between the electron multiplying unit 3a and the electron accumulating unit 3b) are performed a plurality of times (for example, about 400 times). As a result, the electrons transferred from the photodiode unit 4 are multiplied by about 2000 times. Further, the charge signal due to the electrons thus multiplied and accumulated is read out as a voltage signal through the floating diffusion region 5 and the signal line 25 by the above-described reading operation.

第1実施形態では、上記のように、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)の不純物濃度を、蓄積ゲート電極10以外の電極下の転送チャネル3の不純物濃度よりも高くなるように構成することによって、各電極にそれぞれ同じ電圧を印加した際(同じレベルの信号を供給した際)に、電子蓄積部3bの電位が各電極下の転送チャネル3の電位よりも大きくなるので、その分、より多量の電子を保持することができる。したがって、電子を増倍させることにより読出しノイズに対する信号量が増大されるので、低照度時のSN比を改善できる。かつ、増倍された電子を保持することができるので、SN比における信号に対する雑音の比率が大きくなるのに起因してノイズが増加するのを抑制することができる。   In the first embodiment, as described above, the impurity concentration of the transfer channel 3 (electron storage unit 3b) under the storage gate electrode 10 is higher than the impurity concentration of the transfer channel 3 under the electrodes other than the storage gate electrode 10. With this configuration, when the same voltage is applied to each electrode (when a signal of the same level is supplied), the potential of the electron storage unit 3b becomes larger than the potential of the transfer channel 3 below each electrode. Therefore, a larger amount of electrons can be held. Therefore, since the signal amount with respect to the readout noise is increased by multiplying the electrons, the SN ratio at the time of low illuminance can be improved. In addition, since the multiplied electrons can be held, it is possible to suppress an increase in noise due to an increase in the ratio of noise to signal in the SN ratio.

また、上記第1実施形態では、オフ信号が供給された際の蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)の電位(約3.5V)を、オフ信号が供給された際の転送ゲート電極9下および読出ゲート電極11下の転送チャネル3の電位(約1.5V)よりも高くなるように構成することによって、蓄積ゲート電極10をオン状態にすることなく電子蓄積部3bに電子を保持することができる。また、このとき、転送ゲート電極9下および読出ゲート電極11下の転送チャネル3の電位(約1.5V)が電子蓄積部3bの電位(約3.5V)よりも低いので、その分、転送ゲート電極9下および読出ゲート電極11下の転送チャネル3におけるポテンシャルの障壁が高くなる。したがって、電子蓄積部3bから電子が移動するのを確実に抑制することができる。また、蓄積ゲート電極10をオフ状態にしたまま電子を保持することができる。つまり、蓄積ゲート電極10に電圧を印加しない状態で、電子を確実に保持することができる。   In the first embodiment, the potential (about 3.5 V) of the transfer channel 3 (electron storage unit 3b) under the storage gate electrode 10 when the off signal is supplied is the same as that when the off signal is supplied. By configuring the transfer channel 3 to be higher than the potential (about 1.5 V) of the transfer channel 3 below the transfer gate electrode 9 and the read gate electrode 11, the electron storage unit 3b can be turned on without turning on the storage gate electrode 10. Can hold electrons. At this time, the potential (about 1.5 V) of the transfer channel 3 below the transfer gate electrode 9 and the readout gate electrode 11 is lower than the potential (about 3.5 V) of the electron storage portion 3b. The potential barrier in the transfer channel 3 under the gate electrode 9 and under the readout gate electrode 11 is increased. Therefore, it is possible to reliably suppress the movement of electrons from the electron storage unit 3b. Further, electrons can be held while the storage gate electrode 10 is in an off state. That is, electrons can be reliably held in a state where no voltage is applied to the storage gate electrode 10.

また、上記第1実施形態では、オフ信号が供給された際の蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)の電位(約3.5V)を、オン信号が供給された際の読出ゲート電極11下の転送チャネル3の電位(約4V)よりも低くなるように構成することによって、読出ゲート電極11のオン状態時に、オフ状態の電子蓄積部3bおよびフローティングディフュージョン領域5間の電位差を形成することができ、より電子を容易に転送することができる。つまり、オフ状態の電子蓄積部3bおよびフローティングディフュージョン領域5間の電位差により、電子の転送効率を上げることができる。   In the first embodiment, the potential (about 3.5 V) of the transfer channel 3 (electron storage unit 3b) under the storage gate electrode 10 when the off signal is supplied is the same as that when the on signal is supplied. By being configured to be lower than the potential (about 4 V) of the transfer channel 3 below the read gate electrode 11, the potential difference between the off-state electron storage portion 3b and the floating diffusion region 5 when the read gate electrode 11 is on. Can be formed, and electrons can be transferred more easily. That is, the electron transfer efficiency can be increased by the potential difference between the off-state electron storage portion 3b and the floating diffusion region 5.

また、上記第1実施形態では、オフ信号が供給された際の蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)の電位(約3.5V)を、オン信号が供給された際の転送ゲート電極9下の転送チャネルの電位(約4V)よりも低くなるように構成することによって、蓄積ゲート電極10をオフ状態にしたままで、電子増倍部3aに電子を転送することができるので、電子蓄積部3bに蓄積された電子を容易に増倍させることができる。   In the first embodiment, the potential (about 3.5 V) of the transfer channel 3 (electron storage unit 3b) under the storage gate electrode 10 when the off signal is supplied is the same as that when the on signal is supplied. By configuring so as to be lower than the potential (about 4 V) of the transfer channel under the transfer gate electrode 9, electrons can be transferred to the electron multiplier section 3a while the storage gate electrode 10 is kept off. Therefore, the electrons stored in the electron storage unit 3b can be easily multiplied.

また、上記第1実施形態では、蓄積ゲート電極10にオフ信号が供給された状態で、電子蓄積部3bから電子増倍部3aへの電子の転送による電子の増倍動作と、電子増倍部3aから電子蓄積部3bへの電子の転送動作とを交互に繰り返し行うように構成することによって、蓄積ゲート電極10をオフ状態にしたままで電子の転送動作および増倍動作のいずれの動作も行うことができる。したがって、その分、制御が複雑化するのを抑制することができる。   In the first embodiment, the electron multiplication operation by the transfer of electrons from the electron storage unit 3b to the electron multiplication unit 3a and the electron multiplication unit in the state where the off signal is supplied to the storage gate electrode 10 By performing the transfer operation of electrons from 3a to the electron storage unit 3b alternately and repeatedly, both the transfer operation and the multiplication operation of the electrons are performed with the storage gate electrode 10 kept in the OFF state. be able to. Therefore, the complication of the control can be suppressed accordingly.

(第2実施形態)
図10および図12は、本発明の第2実施形態によるCMOSイメージセンサの電子の転送動作および増倍動作を説明するための信号波形図である。図11および図13は、本発明の第2実施形態によるCMOSイメージセンサの電子の転送動作および増倍動作を説明するためのポテンシャル図である。図10〜図13を参照して、第2実施形態では、上記第1実施形態におけるCMOSイメージセンサの構成において、蓄積ゲート電極10にオン信号を供給して電子の転送動作および増倍動作を行う例について説明する。なお、第2実施形態の構成は、第1実施形態と同様である。
(Second Embodiment)
10 and 12 are signal waveform diagrams for explaining an electron transfer operation and a multiplication operation of the CMOS image sensor according to the second embodiment of the present invention. FIGS. 11 and 13 are potential diagrams for explaining an electron transfer operation and a multiplication operation of the CMOS image sensor according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 10 to 13, in the second embodiment, in the configuration of the CMOS image sensor in the first embodiment, an ON signal is supplied to storage gate electrode 10 to perform an electron transfer operation and a multiplication operation. An example will be described. The configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.

まず、第2実施形態によるCMOSイメージセンサの電子の転送動作について説明する。図10および図11に示すように、上記した第1実施形態の期間Aおよび期間Bの動作を行うことにより、フォトダイオード部4により生成された電子が転送ゲート電極9下の転送チャネル3にまで転送される。そして、期間Hにおいて、蓄積ゲート電極10をオン状態にするとともに、転送ゲート電極9をオフ状態にする。これにより、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3(電子蓄積部3b)が約6Vの電位に調整された後に、転送ゲート電極9下の転送チャネル3が約1.5Vの電位に調整される状態になる。そして、転送ゲート電極9下の転送チャネル3にまで転送されていた電子は、より高電位である電子蓄積部3bに転送される。次に、期間Iにおいて、読出ゲート電極11をオン状態にするとともに、蓄積ゲート電極10をオフ状態にすることにより、読出ゲート電極11下の転送チャネル3が約4Vの電位に調整された後に、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3が約3.5Vの電位に調整される。これにより、電子蓄積部3bに電子は、読出ゲート電極11下の転送チャネル3を介してフローティングディフュージョン領域5に転送される。以上により、電子の転送動作は完了する。   First, the electron transfer operation of the CMOS image sensor according to the second embodiment will be described. As shown in FIGS. 10 and 11, by performing the operations in the period A and the period B of the first embodiment described above, the electrons generated by the photodiode unit 4 reach the transfer channel 3 below the transfer gate electrode 9. Transferred. In the period H, the storage gate electrode 10 is turned on and the transfer gate electrode 9 is turned off. Thereby, after the transfer channel 3 (electron accumulating portion 3b) under the storage gate electrode 10 is adjusted to a potential of about 6V, the transfer channel 3 under the transfer gate electrode 9 is adjusted to a potential of about 1.5V. become. Then, the electrons transferred to the transfer channel 3 below the transfer gate electrode 9 are transferred to the electron storage unit 3b having a higher potential. Next, in period I, after the read gate electrode 11 is turned on and the storage gate electrode 10 is turned off, the transfer channel 3 under the read gate electrode 11 is adjusted to a potential of about 4 V. The transfer channel 3 under the storage gate electrode 10 is adjusted to a potential of about 3.5V. As a result, electrons are transferred to the floating diffusion region 5 via the transfer channel 3 below the read gate electrode 11 in the electron storage portion 3b. Thus, the electron transfer operation is completed.

次に、第2実施形態によるCMOSイメージセンサの電子の増倍動作について説明する。図12および図13に示すように、上記した第1および第2実施形態の期間A、期間Bおよび期間Hの動作を行うことにより、蓄積ゲート電極10がオン状態になるとともに、蓄積ゲート電極10下の電子蓄積部3bに電子が蓄積された状態となる。このとき、期間Jにおいて、増倍ゲート電極8をオン状態にすることにより、増倍ゲート電極8下の電子増倍部3aが約25Vの電位に調整される。そして、期間Kにおいて、転送ゲート電極9をオン状態にした後に蓄積ゲート電極10をオフ状態にする。これにより、転送ゲート電極9下の転送チャネル3が約4Vの電位に調整された後に、蓄積ゲート電極10下の電子蓄積部3bの電位が約3.5Vに調整される。以上により、電子は、電子蓄積部3bから転送ゲート電極9下の転送チャネル3を介して電子増倍部3aに転送される。そして、期間Lにおいて、転送ゲート電極9がオフ状態になることにより、転送ゲート電極9下の転送チャネル3が約1.5Vの電位に調整される。また、電子は、電子増倍部3bに転送されることにより増倍される。   Next, the electron multiplication operation of the CMOS image sensor according to the second embodiment will be described. As shown in FIG. 12 and FIG. 13, by performing the operations of the period A, the period B, and the period H of the first and second embodiments described above, the storage gate electrode 10 is turned on and the storage gate electrode 10 Electrons are stored in the lower electron storage unit 3b. At this time, by setting the multiplication gate electrode 8 to the ON state in the period J, the electron multiplication section 3a under the multiplication gate electrode 8 is adjusted to a potential of about 25V. In the period K, after the transfer gate electrode 9 is turned on, the storage gate electrode 10 is turned off. Thereby, after the transfer channel 3 under the transfer gate electrode 9 is adjusted to a potential of about 4V, the potential of the electron storage portion 3b under the storage gate electrode 10 is adjusted to about 3.5V. As described above, electrons are transferred from the electron accumulating unit 3b to the electron multiplying unit 3a via the transfer channel 3 below the transfer gate electrode 9. In the period L, the transfer gate electrode 9 is turned off, so that the transfer channel 3 under the transfer gate electrode 9 is adjusted to a potential of about 1.5V. Further, the electrons are multiplied by being transferred to the electron multiplier 3b.

このように、第2実施形態では、蓄積ゲート電極10をオン状態にすることによって電子の転送動作および増倍動作を行う。なお、第1実施形態と同様に、期間A、期間Bおよび期間H〜期間Lの動作(電子増倍部3aおよび電子蓄積部3b間の転送動作)を複数回(たとえば、約400回)行われるように制御されることにより、フォトダイオード部4から転送された電子は約2000倍に増倍される。   As described above, in the second embodiment, the transfer operation and multiplication operation of electrons are performed by turning on the storage gate electrode 10. As in the first embodiment, the operations of period A, period B, and period H to period L (transfer operation between the electron multiplying unit 3a and the electron accumulating unit 3b) are performed a plurality of times (for example, about 400 times). As a result, the electrons transferred from the photodiode unit 4 are multiplied by about 2000 times.

第2実施形態では、上記のように、蓄積ゲート電極10をオン状態にして電子を蓄積するように構成することによって、電子蓄積部3bは、高濃度化された分、高電位に構成されるので、その分、電子蓄積部3bに多量の電子を保持することができる。したがって、電子をより大きい量にまで増倍したとしても確実に保持することができる。また、このとき、オフ信号が供給された転送ゲート電極9下および読出ゲート電極11下の転送チャネル3と電子蓄積部3bとの電位差は、蓄積ゲート電極10をオン状態にした場合における電位差に比べて大きくなる。したがって、その分、転送ゲート電極9および読出ゲート電極11下の転送チャネル3のポテンシャルの障壁が相対的に大きくなるので、確実に電子蓄積部3bに電子を保持することができる。   In the second embodiment, as described above, by configuring the storage gate electrode 10 to be in an ON state and storing electrons, the electron storage unit 3b is configured to have a high potential as the concentration is increased. Therefore, a large amount of electrons can be held in the electron storage unit 3b accordingly. Therefore, even if the electrons are multiplied to a larger amount, they can be reliably held. At this time, the potential difference between the transfer channel 3 below the transfer gate electrode 9 and the read gate electrode 11 to which the OFF signal is supplied and the electron storage unit 3b is compared with the potential difference when the storage gate electrode 10 is turned on. Become bigger. Accordingly, since the potential barrier of the transfer channel 3 below the transfer gate electrode 9 and the read gate electrode 11 becomes relatively large, electrons can be reliably held in the electron storage portion 3b.

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.

たとえば、上記第1および第2実施形態では、撮像装置の一例として各画素50において電荷信号を増幅するアクティブ(Active)型のCMOSイメージセンサを示したが、本発明はこれに限らず、各画素において電荷信号を増幅しないパッシブ(Passive)型のCMOSイメージセンサにも適用可能である。   For example, in the first and second embodiments, an active type CMOS image sensor that amplifies a charge signal in each pixel 50 is shown as an example of an imaging apparatus. However, the present invention is not limited to this, and each pixel The present invention is also applicable to a passive type CMOS image sensor that does not amplify a charge signal.

また、上記第1および第2実施形態では、転送ゲート電極7、転送ゲート電極9および読出ゲート電極11がオン状態の場合に、転送ゲート電極7、転送ゲート電極9および読出ゲート電極11下の転送チャネル3が約4Vの電位に調整された状態になる例を示したが、本発明はこれに限らず、転送ゲート電極7、転送ゲート電極9および読出ゲート電極11がオン状態の場合に、転送ゲート電極7、転送ゲート電極9および読出ゲート電極11下の転送チャネル3がそれぞれ異なる電位に調整された状態になるようにしてもよい。なお、この場合、転送ゲート電極9下および読出ゲート電極11下の転送チャネル3のオン状態における電位は、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3のオフ状態における電位よりも高くなるように制御する必要がある。   In the first and second embodiments, when the transfer gate electrode 7, the transfer gate electrode 9, and the read gate electrode 11 are in the on state, the transfer under the transfer gate electrode 7, the transfer gate electrode 9, and the read gate electrode 11 is performed. Although an example in which the channel 3 is adjusted to a potential of about 4 V is shown, the present invention is not limited to this, and the transfer is performed when the transfer gate electrode 7, the transfer gate electrode 9, and the read gate electrode 11 are in the on state. The transfer channel 3 under the gate electrode 7, the transfer gate electrode 9, and the read gate electrode 11 may be adjusted to different potentials. In this case, it is necessary to control the potential of the transfer channel 3 under the transfer gate electrode 9 and the readout gate electrode 11 in the ON state to be higher than the potential of the transfer channel 3 under the storage gate electrode 10 in the OFF state. There is.

また、上記第1および第2実施形態では、n型シリコン基板(図示せず)の表面に形成されたp型ウェル領域1の表面に転送チャネル3、フォトダイオード部4およびフローティングディフュージョン領域5を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、p型シリコン基板の表面に転送チャネル3、フォトダイオード部4およびフローティングディフュージョン領域5を形成するようにしてもよい。   In the first and second embodiments, the transfer channel 3, the photodiode portion 4, and the floating diffusion region 5 are formed on the surface of the p-type well region 1 formed on the surface of the n-type silicon substrate (not shown). However, the present invention is not limited to this, and the transfer channel 3, the photodiode portion 4, and the floating diffusion region 5 may be formed on the surface of the p-type silicon substrate.

また、上記第1および第2実施形態では、信号電荷として電子を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、基板不純物の導電型および印加する電圧の極性を全て反対にすることにより、信号電荷として正孔を用いるようにしてもよい。   In the first and second embodiments, electrons are used as signal charges. However, the present invention is not limited to this, and the substrate impurity conductivity type and the applied voltage polarity are all reversed. Thus, holes may be used as signal charges.

また、上記第1および第2実施形態では、蓄積ゲート電極10下の転送チャネル3を高濃度にするためにAs(砒素)を注入する例を示したが、本発明はこれに限らず、As(砒素)以外のドーパメントを注入してもよい。   In the first and second embodiments, the example in which As (arsenic) is implanted to increase the concentration of the transfer channel 3 under the storage gate electrode 10 has been shown. However, the present invention is not limited to this. Dopes other than (arsenic) may be injected.

本発明の第1実施形態によるCMOSイメージセンサの全体構成を示した平面図である。1 is a plan view showing an overall configuration of a CMOS image sensor according to a first embodiment of the present invention. 図1に示した第1実施形態によるCMOSイメージセンサにおける断面図である。It is sectional drawing in the CMOS image sensor by 1st Embodiment shown in FIG. 図1に示した第1実施形態によるCMOSイメージセンサにおけるポテンシャル図である。FIG. 2 is a potential diagram in the CMOS image sensor according to the first embodiment shown in FIG. 1. 図1に示した第1実施形態によるCMOSイメージセンサの画素を示した平面図である。FIG. 2 is a plan view showing pixels of the CMOS image sensor according to the first embodiment shown in FIG. 1. 図1に示した第1実施形態によるアクティブ型のCMOSイメージセンサの回路構成を示した回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the active CMOS image sensor according to the first embodiment shown in FIG. 1. 本発明の第1実施形態によるCMOSイメージセンサにおける電子の転送動作を説明するための信号波形図である。It is a signal waveform diagram for demonstrating the transfer operation | movement of the electron in the CMOS image sensor by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態によるCMOSイメージセンサの電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。FIG. 5 is a potential diagram for explaining an electron transfer operation of the CMOS image sensor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態によるCMOSイメージセンサにおける電子の増倍動作を説明するための信号波形図である。It is a signal waveform diagram for demonstrating the electron multiplication operation | movement in the CMOS image sensor by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態によるCMOSイメージセンサにおける電子の増倍動作を説明するためのポテンシャル図である。FIG. 6 is a potential diagram for explaining an electron multiplication operation in the CMOS image sensor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態によるCMOSイメージセンサにおける電子の転送動作を説明するための信号波形図である。It is a signal waveform diagram for demonstrating the transfer operation | movement of the electron in the CMOS image sensor by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態によるCMOSイメージセンサの電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。It is a potential diagram for demonstrating the transfer operation | movement of the electron of the CMOS image sensor by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態によるCMOSイメージセンサにおける電子の増倍動作を説明するための信号波形図である。It is a signal waveform diagram for demonstrating the multiplication operation | movement of an electron in the CMOS image sensor by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態によるCMOSイメージセンサの電子の増倍動作を説明するためのポテンシャル図である。It is a potential diagram for demonstrating the electron multiplication operation | movement of the CMOS image sensor by 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

3 転送チャネル(不純物領域)
3a 電子増倍部(電荷増加部)
3b 電子蓄積部(電荷蓄積部)
5 フローティングディフュージョン領域(電圧変換部)
8 増倍ゲート電極(第4電極)
9 転送ゲート電極(第2電極)
10 蓄積ゲート電極(第1電極)
11 読出ゲート電極(第3電極)
3 Transfer channel (impurity region)
3a Electron multiplying part (charge increasing part)
3b Electron storage unit (charge storage unit)
5 Floating diffusion area (voltage converter)
8 Multiplication gate electrode (4th electrode)
9 Transfer gate electrode (second electrode)
10 Storage gate electrode (first electrode)
11 Read gate electrode (third electrode)

Claims (4)

信号電荷を蓄積するとともに、転送するための電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部に信号電荷を蓄積させるための第1電極と、
信号電荷を前記電荷蓄積部に転送させるための第2電極と、
信号電荷を電圧に変換するための電圧変換部と、
前記第1電極と前記電圧変換部との間に設けられ、前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を前記電圧変換部に転送させるための第3電極と、
少なくとも前記第1電極、前記第2電極および前記第3電極の下方に設けられ、信号電荷を転送する経路を形成するための不純物領域とを備え、
前記不純物領域の前記第1電極の下方に対応する領域の不純物濃度は、少なくとも前記第2電極および前記第3電極の下方に対応する領域の不純物濃度よりも高い、撮像装置。
A charge storage unit for storing and transferring signal charges; and
A first electrode for accumulating signal charges in the charge accumulator;
A second electrode for transferring a signal charge to the charge storage unit;
A voltage converter for converting the signal charge into a voltage;
A third electrode provided between the first electrode and the voltage conversion unit for transferring the signal charge stored in the charge storage unit to the voltage conversion unit;
An impurity region provided at least below the first electrode, the second electrode, and the third electrode for forming a path for transferring signal charges;
The imaging device, wherein an impurity concentration of a region corresponding to the lower portion of the impurity region below the first electrode is higher than at least an impurity concentration of a region corresponding to the lower portion of the second electrode and the third electrode.
前記第1電極および前記第3電極に、それぞれ、前記第1電極の下方に対応する不純物領域の電位が前記第3電極の下方に対応する不純物領域の電位よりも低くなるような第1の電圧および第2の電圧を印加するように構成され、
前記第1電極に前記第1の電圧を印加した状態で前記第3電極に前記第2の電圧を印加することにより、前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を前記第3電極の下方に対応する不純物領域を介して前記電圧変換部に転送するように構成されている、請求項1に記載の撮像装置。
A first voltage at which the potential of the impurity region corresponding to the lower portion of the first electrode is lower than the potential of the impurity region corresponding to the lower portion of the third electrode. And is configured to apply a second voltage;
By applying the second voltage to the third electrode in a state where the first voltage is applied to the first electrode, the signal charge accumulated in the charge accumulating portion corresponds to the lower side of the third electrode. The imaging device according to claim 1, wherein the imaging device is configured to transfer to the voltage conversion unit via an impurity region to be processed.
前記蓄積部に蓄積された信号電荷を衝突電離させて増加するための電荷増加部と、
衝突電離により信号電荷を増加させる電界を前記電荷増加部に発生させるための第4電極とをさらに備え、
前記第1電極および前記第2電極に、それぞれ、前記第1電極の下方に対応する不純物領域の電位が前記第2電極の下方に対応する不純物領域の電位よりも低くなるような第1の電圧および第2の電圧を印加するように構成され、
前記第1電極に前記第1の電圧を印加した状態で、前記第2電極に前記第2の電圧を印加するとともに、前記第4電極に前記衝突電離により信号電荷を増加させる電界を前記電荷増加部に発生させるための第3の電圧を印加することにより、前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を前記第2電極の下方に対応する不純物領域を介して前記電荷増加部に転送するように構成されている、請求項1または2に記載の撮像装置。
A charge increasing portion for increasing the signal charge accumulated in the accumulating portion by impact ionization; and
A fourth electrode for generating an electric field in the charge increasing portion for increasing the signal charge by impact ionization;
A first voltage at which the potential of the impurity region corresponding to the lower portion of the first electrode is lower than the potential of the impurity region corresponding to the lower portion of the second electrode. And is configured to apply a second voltage;
While the first voltage is applied to the first electrode, the second voltage is applied to the second electrode, and an electric field that increases signal charge due to the impact ionization is applied to the fourth electrode. By applying a third voltage to be generated in the part, the signal charge stored in the charge storage part is transferred to the charge increasing part via the impurity region corresponding to the lower part of the second electrode. The imaging device according to claim 1, wherein the imaging device is configured.
前記第1電極に前記第1の電圧を印加した状態で、前記電荷蓄積部から前記電荷増加部への信号電荷の転送による信号電荷の増加動作と、前記電荷増加部から前記電荷蓄積部への信号電荷の転送動作とを交互に繰り返し行うように構成されている、請求項3に記載の撮像装置。   In the state where the first voltage is applied to the first electrode, the signal charge is increased by the transfer of the signal charge from the charge storage unit to the charge increase unit, and the charge increase unit to the charge storage unit The imaging apparatus according to claim 3, wherein the imaging apparatus is configured to alternately and repeatedly perform a signal charge transfer operation.
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